Nowe fazy kwantowe z uporządkowaniem złożonym lub nieporządkiem oraz przejścia fazowe w układach silnie skorelowanych elektronów

Nowe fazy kwantowe z uporządkowaniem złożonym lub nieporządkiem oraz przejścia fazowe w układach silnie skorelowanych elektronów

  • Kierownik projektu: prof. dr hab. Andrzej Michał Oleś, Uniwersytet Jagielloński
  • Tytuł projektu: Nowe fazy kwantowe z uporządkowaniem złożonym lub nieporządkiem oraz przejścia fazowe w układach silnie skorelowanych elektronów
  • Konkurs: MAESTRO 2, ogłoszony 15 grudnia 2011 r.
  • Panel: ST3
Andrzej Michał Oleś przy komputerze

Badania realizowane w ramach projektu znajdują się w głównym nurcie badań nad układami z silnie skorelowanymi elektronami. Układy te są bardzo interesujące i mogą być wykorzystywane w nauce i technice lub mogą posłużyć do wytworzenia nowych materiałów o pożądanych własnościach magnetycznych lub transportowych. Otrzymanie takich materiałów nie jest jednak bezpośrednim celem tego projektu. Proponowane badania mają na celu poznanie własności fizycznych tych materiałów i stworzenie potencjalnej możliwości otrzymania takich materiałów w przyszłości. Realizacja projektu powinna doprowadzić do uzyskania nowych informacji o mechanizmach powstawania faz nadprzewodzących lub magnetycznych w nowych związkach i strukturach złożonych.

Oddziaływania miedzy elektronami są odpowiedzialne za szereg bardzo spektakularnych zachowań ciał stałych, jak na przykład powstawanie faz uporządkowanych magnetycznie, orbitalnie lub ładunkowo, fazy nadprzewodzącej, jak również faz z kilkoma współistniejącymi typami uporządkowania. Fazy tego typu oraz przejścia fazowe pomiędzy nimi występują w związkach metali przejściowych z niecałkowicie wypełnioną powłoką elektronową 3d lub 4d, gdzie elektrony d podlegają silnym oddziaływaniom lokalnym i są silnie skorelowane lub nawet prawie zlokalizowane. Lokalizacja występuje, gdy oddziaływania dominują nad energią kinetyczną, co prowadzi do stanu izolatora skorelowanego, zwanego również izolatorem Motta. Izolatory Motta charakteryzuje częściowo wypełnione pasmo, ale przepływ prądu jest zablokowany poprzez silne odpychanie lokalne pomiędzy elektronami. Dobrze znanymi zjawiskami w tej klasie materiałów są nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe (Nagroda Nobla 1987) oraz kolosalny magnetoopór (przejście fazowe do stanu ferromagnetycznego, któremu towarzyszy skokowa zmiana oporności w tlenkach manganu). W obydwu przypadkach fazy uporządkowane (nadprzewodząca lub ferromagnetyczna) powstają w wyniku domieszkowania izolatorów Motta, a przejścia fazowe oznaczają spektakularną zmianę własności transportowych lub magnetycznych. W wielu związkach istotną rolę odgrywają również orbitale obsadzane przez elektrony, tzw. orbitalne stopnie swobody, które mogą również podlegać uporządkowaniu. Zasadniczą trudnością w opisie teoretycznym tych złożonych materiałów jest kwantowa natura oddziałujących ze sobą stopni swobody: magnetycznych, orbitalnych oraz ładunkowych. Wynika stąd konieczność stosowania zaawansowanych metod mechaniki kwantowej dla układu wielu ciał, które wymagają pracochłonnych obliczeń numerycznych.

Celem badań jest zrozumienie mechanizmów fizycznych odpowiedzialnych za powstawanie uporządkowań złożonych (magnetycznych, orbitalnych lub ładunkowych) w izolatorach Motta oraz za zmiany tych uporządkowań i przejścia fazowe występujące w wyniku domieszkowania. Poszukiwane będą oddziaływania odpowiedzialne za wybrane typy uporządkowania. Badany będzie, między innymi, mechanizm powstawania stanów nadprzewodzących w układach silnie skorelowanych elektronów w związkach o strukturze warstwowej lub heterostrukturach. Badania mają charakter interdyscyplinarny i obejmują także niektóre zagadnienia z fizyki zimnych atomów z orbitalnymi stopniami swobody oraz badania możliwości kwantowego zapisu informacji.

Mocną stroną projektu jest bogata współpraca międzynarodowa ze światowej klasy ekspertami w teorii silnie skorelowanych elektronów. Większość problemów będzie rozwiązywana w zespołach międzynarodowych, dzięki czemu zastosowane zostaną najlepsze metody badawcze, zapewniające wysoki poziom merytoryczny, aktualność i efektywność prowadzonych badań. Prowadzona jest współpraca naukowa z kilkoma wiodącymi ośrodkami, jak: Instytut Maxa-Plancka do Badań Ciała Stałego w Stuttgarcie, Uniwersytet British Columbia w Vancouver, Uniwersytet w Caen, Uniwersytet w Salerno, Uniwersytet w Wurzburgu i inne.


Prof. dr hab. Andrzej Michał Oleś

Jest profesorem zwyczajnym w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Ukończył studia z zakresu fizyki na Uniwersytecie Jagiellońskim w roku 1973; stopień doktora uzyskał w roku 1977, a w roku 1984 stopień doktora habilitowanego w zakresie fizyki teoretycznej. Od roku 1994 jest profesorem nauk fizycznych. Jest specjalistą w zakresie teorii korelacji elektronowych oraz kwantowej teorii magnetyzmu. Od roku 1980 prowadzi intensywną współpracę naukową z grupą z Instytutu Maxa-Plancka do Badań Ciała Stałego w Stuttgarcie, zajmującą się kwantową teorią wielu ciał. Jest autorem ponad 330 publikacji naukowych cytowanych ponad 4800 razy, kilkunastu rozdziałów w monografiach oraz laureatem Nagrody Naukowej im. Marii Curie-Skłodowskiej PAN za odkrycie spinowo-orbitalnego splątania kwantowego (2009).